2.8.12. Интегральные конденсаторы

В биполярных полупроводниковых ИМС роль конденсаторов играют обратносмещенные p-n-переходы. У таких конденсаторов хотя бы один из слоев является диффузионным, поэтому их называют диффузионными конденсаторами (ДК). При этом в качестве диэлектрика выступает область объемного заряда p-n-перехода, следовательно удельная барьерная емкость ДК обратно пропорциональна ширине обедненного слоя. Поскольку ширина этого слоя зависит от величины приложенного обратного напряжения, емкость ДК тоже меняется с изменением напряжения.

Структуры конденсаторов должны обеспечивать максимальное значение для создания большой номинальной емкости на минимальной площади. Однако характеристики конденсаторов полупроводниковых ИМС невысоки, а для получения больших емкостей необходимо использовать значительную площадь схемы. Поэтому при проектировании электрически схемы полупроводниковых микросхем, в частности цифровых, стремятся уменьшить число конденсаторов или исключить их совсем.

В полупроводниковых ИМС на биполярных транзисторах диффузионные конденсаторы реализуются на основе переходов транзистора. Их создание не требует дополнительных технологических операций, поскольку используются те же переходы, что и в транзисторной структуре. На рис. 2.54, а - в показаны типовые структуры диффузионных конденсаторов на основе p-n-переходов планарно-эпитаксиального транзистора. Необходимым условием практического применения таких конденсаторов является соблюдение полярности подключения смещающего напряжения.

Рис. 2.54. Структуры диффузионных конденсаторов па основе p-n - переходов: а - изолирующего; б – коллекторного;

в - эмиттерного

Эмиттерный переход обладает наибольшей удельной емкостью, но малыми пробивным напряжением (менее 10В) и добротностью. Коллекторный переход используется наиболее часто для формирования ДК (рис. 2.57, б), так как имеет более высокое пробивное напряжение (около 50 В). Конденсаторы, формируемые на переходе коллектор - подложка, используются сравнительно редко, так как вывод подложки является общим для остальной части схемы. Практическое использование конденсаторов на основе p-n-переходов требует учета паразитных емкостей структуры.

Зависимость емкости конденсатора от напряжения означает что ДК, вообще говоря, является нелинейным конденсатором с вольт-фарадной характеристикой . Нелинейные конденсаторы находят применение в качестве конденсаторов с электрически управляемой емкостью и в специальных узлах радиотехнической аппаратуры: параметрических усилителях, умножителях частоты и др. В таких узлах нелинейность ДК оказывается полезной. Однако чаще требуются линейные конденсаторы с постоянной емкостью, которые способны пропускать без искажения переменные сигналы и блокировать постоянные составляющие сигналов. ДК успешно выполняет такую функцию при наличии постоянного смещения, превышающего амплитуду переменного сигнала.

Диффузионные конденсаторы на основе p-n-переходов имеют следующие особенности:

их параметры ограничены, так как определяются требованиями к параметрам транзистора;

наличие паразитного диода (транзистора) требует всегда отрицательного смещения на подложке;

емкость модулируется внешним смещением;

конденсаторы биполярны;

низкая добротность.

Образование конденсатора возможно также за счет параллельного соединения эмиттерного и коллекторного переходов транзисторной структуры.

В последнее время в качестве накопительных конденсаторов в элементах памяти широкое применение находят структуры на основе - канавок (рис. 2.27). Но существу, использование таких конденсаторов эквивалентно «вертикальному» интегрированию структур, когда область накопления заряда располагается не на поверхности кристалла, а в его объеме. Это позволяет резко увеличить степень интеграции.